《压电声传感器》PPT课件

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1、第7章压电声传感器7.1厚度振动换能器7.2圆柱形压电换能器7.3复合棒压电换能器7.4压电陶瓷双叠片弯曲振动换能器7.1厚度振动换能器厚度振动换能器是利用压电陶瓷的厚度振动模式,工作频率一般从几百kHz至十几MHz广泛应用于超声技术中。图7.1为厚度振动换能器结构图。压电晶片通常为圆片。保护膜的作用是防止晶片与外界接触和磨损,并起声阻抗匹配作用。背衬由环氧树脂和钨粉混合固化而成,用于增加机械阻尼,扩展带宽,减小波形失真,提高分辨率。图7.2是超声检测中实际应用的探头的结构剖面图。图(a)为直探头,声波垂直入射。图(b)为斜探头,声波以一定角度入射。从探头的结构可见,厚度振动换能器

2、主要由压电陶瓷晶片、保护膜和背衬组成。这三部分决定了厚度振动换能器的主要特性,下面就以图7.3所示的厚度振动换能器的这一理论模型研究这种换能器的性能。图中1为保护膜,2为背衬,3为压电晶片。由于篇幅所限,以下只列出主要结果,读者若要了解详细推导过程,可参看本章参考文献［2］。图7.1厚度振动换能器结构图图7.2超声检测中实际应用的探头结构图7.3厚度振动换能器的理论模型从晶体的压电方程、运动方程、几何方程和边界条件,可导出如图7.4所示的厚度振动晶片的机电等效图。图中,ρ、v、t和S分别表示晶片的密度、声速、厚度和截面积,C0=S/(tβS33)为晶片截止电容,n=Sh33/(βS

3、33t)为机电转换系数,、和F1、F2表示晶片两端的振速和所受外力。保护膜和背衬的等效机电图如图7.5所示。对保护。对背衬只需将下标1改为2,则Z1和Z2有相同的表达式。由图7.4和图7.5,利用交界面力和速度连续的边界条件,可得到如图7.6所示的厚度振动换能器的机电等效图。图中Zs为辐射声阻抗。有了此等效图，分析换能器的机电性能就比较容易了。图7.4厚度振动晶片的机电等效图图7.5保护膜和背衬的等效机电图若设背衬的机械阻抗为无限大（这近似一般的实际情况）,即图7.6中的22′端开路,可得辐射面共振（ξ10最大）的共振条件为式中辐射面共振时的辐射声功率为接收时,在声压p的作用下,低

4、频时的开路输出电压为可见,在很低频率时,开路输出电压是与频率无关的常数。图7.6厚度振动换能器的机电等效图7.2圆柱形压电换能器圆柱形压电换能器的转换元件为一压电陶瓷圆管,极化方向常沿着半径方向(径向极化)和长度方向(纵向极化),作接收换能器时,有时极化方向也沿着圆周的切线方向(切向极化)。当换能器工作于发射状态时,压电陶瓷圆管在电场的作用下,借助反向压电效应,发生伸张或收缩,从而向媒质发射声波。当换能器工作于接收状态时,压电陶瓷圆管在声信号的作用下发生伸张或收缩,借助正向压电效应,转换为电信号输出。圆管内部常充以反射材料或吸声材料,振子置于充油的外壳中或直接在外部硫化一层透声橡胶

5、和浇注一层高分子材料。圆柱形压电换能器沿半径方向有均匀的指向性、有较高的灵敏度,且结构较简单,因而广泛用于水声技术、超声技术、海洋开发和地质勘探中,并常用来作标准接收换能器。图7.7为一圆柱形水听器的结构,图中,1—同轴电缆,2—金属套筒,3—橡皮护套和衬垫,4—压电陶瓷圆管,5—释压材料,6—金属端帽。在低频（远低于共振频率）时,这种换能器的接收灵敏度有平坦的响应。较小的圆管有较高的共振频率,可获得较宽的、平坦的频带宽度,但灵敏度将有所降低。图7.7圆柱形水听器的结构7.2.1薄壁圆管的共振频率方程长为l,平均半径为a,边界自由的薄壁圆管的共振频率方程为式中,ωl=vπ/l,ωr

6、=v/a,v为声速,σ为泊松系数,ν=1,3,5…下面考虑几种特殊情形（当ν＝1时）:(1)a→0即为长l的棒的共振角频率。式中,ρ为密度,YE0为杨氏模量。(2)l→0即为平均半径为a的薄圆环径向振动的共振角频率。(3)l→∞为无穷长的薄壁圆管径向共振角频率。(4)ωl=ωr即πa=l或写成为长度等于半周长的薄圆管的耦合共振角频率。7.2.2开路接收电压灵敏度当频率远低于第一个共振频率时接收灵敏度有平坦的响应。接收灵敏度还和圆柱水听器的两端力学边界条件有关。对于管端自由（声屏蔽）的力学边界条件得到的低频时的开路接收电压灵敏度为其中,a和b分别为圆管的内外径,g33和g31为压电常

7、数。7.3复合棒压电换能器复合棒压电换能器,也称为夹心式压电换能器或喇叭形压电换能器,是一种常用的大功率发射换能器。它以较小的重量和体积获得大的声能密度而广泛地用于水声和超声技术中。这种换能器用于接收亦有较高的灵敏度。复合棒压电换能器振子结构示意图如图7.8所示。图中,1—金属前盖板,2—电极引线,3—金属节板,4—压电陶瓷晶片堆,5—预应力螺钉,6—金属后盖板。图7.9为复合棒压电换能器外形图。图7.8复合棒压电换能器振子结构示意图图7.9复合棒压电换能器外形图压电